A Study on the Development of 10W Wireless Power Transmission System Using Magnetic Resonance

       _    _   _   ∴_{   } 



_ 

16

-Abstract _{– 본 논문에서는 자기 공명 방식을 이용한 10W급 무선 전} 력 전송 시스템을 제안하였다. 기존의 Mhz 대역의 자기 공명 방식과는 달리 본 논문에서는 100kHz 대역의 주파수를 이용한 시스템을 제안하 여 송수신 코일 간의 거리와 효율을 증가시켰다. 본 논문에서 사용된 송 수신 코일은 가로 세로 20cm로 크기와 모양이 같은 동일한 구조로 제 작하였고, 20cm의 거리에서 약 50%의 전송 효율을 나타내었다. 수신기 는 가변 커패시터를 사용하여 거리에 따라 달라지는 공진 주파수를 수 동으로 찾을 수 있도록 설계하였다. 1. 서 론 2009년 자기 공명 방식 무선전력 전송 기술이 10대 미래 산업 중의 하나로 선정되어 MIT에서 발표된 이후 무선전력 전송 기술은 최근 각 광받는 연구 분야로써, 산업, 학계에서 조명을 받고 있다 [1]. 특히 최근 에 국내 S사에서 발표한 최신 스마트폰에 자기 유도 방식을 이용한 충 전기를 접목시킴으로써 무선전력 전송 기술에 대한 관심이 더욱 뜨거워 지고 있다. 이와 같이 자기 공명 방식의 무선전력 전송 기술은 전송 효 율이나 주위 전자파에 쉽게 영향을 받는 다는 점 등의 한계로 인해 상 용화에 성공하여 시장에 출시되고 있는 자기 유도 방식과는 다른 행보 를 이어가고 있는 실정이다 [2]. 하지만 수 cm이내라는 거리적 한계점 이 분명한 자기 유도 방식과는 달리 비교적 먼 거리에서 무선전력 전송 이 가능한 자기 공명 방식은 각종 전기, 전자기기 뿐만 아니라 무선통신 기기의 공간적 제약을 극복할 수 있는 핵심 기술이다 [1]-[3]. 본 논문에서는 자기 공명 방식을 이용한 10W급 무선전력 전송 시스 템을 설계, 제작하였다. 사용된 송수신 코일은 가로 세로 20cm로 크기 와 모양이 같은 동일한 구조로 제작하였고, 20cm의 거리에서 약 50%의 전송 효율을 나타내었다. 수신기는 가변 커패시터를 사용하여 거리에 따 라 달라지는 공진 주파수를 수동으로 찾을 수 있도록 설계하였다. 2. 본 론 2.1 공진 주파수 설정 두 물체의 진동수가 맞으면 서로 같이 진동하는 현상이 나타난다. 즉 입력하는 신호의 진동 주기와 이 신호를 받는 물체 고유의 진동 주기가 일치하면 큰 진폭으로 진동하게 된다. 이러한 현상을 공명이라고 하며, 이때 공진하는 에너지를 전기로 변환해 사용하는 것이 자기공명방식 무 선전력 전송이다. <표 1> Turn수에 따른 전송 효율 비교

Turn수 최대 전류(mA) N*I

20 312 6240 40 240 9600 60 110 6600 80 45.6 3648 <그림 2.1> 송신기 코일 형상 즉, 자기공명방식은 공진(resonance)현상을 이용해 송신기와 수신기에 동일한 주파수로 전력을 보내는 충전 방식이다. 두 개의 코일을 하나는 전원에 하나는 2차측 수신기에 연결해 같은 주파수로 맞추면 ‘공명’이 발생해 전류가 흐른다. 송신기 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장 을 생성해 같은 공진 주파수로 설계된 수신기 코일에만 에너지가 전달 되도록 한다. 이 기술은 송·수신기를 같은 주파수로 공명시킨 상태에서 전력을 전달하는 게 특징이다. 적절한 송신기를 찾기 위해 20, 40, 60, 80 turn의 코일을 제작하여 각 각 LCR meter로 L(인덕턴스) 값을 측정하고 100Khz 주파수에서 공진 되는 알맞은 커패시터 값을 찾는 실험을 진행하였다. 그 결과 아래의 <표 1>과 같이 100khz에서 공진하기에 충분한 전류가 흐르고 전력전송 의 효율성은 N(turn수)와 송신기에 흐르는 최대 전류에 비례하므로 N(turn)수와 최대전류의 곱이 가장 큰 40 turns 코일을 선택하였다. 공진이 되려면 RL,C회로에서 임피던스가 최소가 되려면 임피던스의 허수부가 0이 되어야 한다. 복소 임피던스의 수식은 식 (1)과 같다. (1) 위 (1) 식에서 허수 임피던스가 0이 되어 없어지는 주파수가 공진주파 수이며, 아래 식 (2), 식 (3)과 같다.[4] (2) (3) 따라서 인덕턴스 L 값 0.42mH 와 주파수 100Hz에서 (3)식에 따른 공 진커패시터 값은 5.6nF으로 계산되었다. 가변 커패시터를 이용하여 5nF 부터 6nF까지 변화 시키며 2차측의 전류를 측정한 결과 5.6nF에서 0.9 A로 가장 큰 전류가 흐르는 것을 확인하였다. <그림 2.2> 공진 커패시터 값 측정 2.2 무선전력 전송 시스템 구성 가로, 세로 20cm의 단면적을 가지고 깊이가 10cm인 스티로폼에 40turn의 코일을 감은 동일한 형태로 제작하여 각각을 1차측 송신기와 2차측 수신기로 설계하였다. 1차측에는 함수 발생기 및 파워앰프로 30V, 3A의 전력을 입력하고 2차측에는 가변 커패시터를 연결하여 거리에 따 라 유동적으로 변하는 공진 주파수 값을 수동으로 맞춰줄 수 있게 설계 하였고, LED 또는 전구를 부하로 연결하여 전력전송 여부를 육안으로 확인할 수 있도록 하였다. 주파수에 따라서 전압과 전류를 측정한 결과 100kHz일 때 전압 9.19V, 전류 0.9 A로 약 8W의 전력전송이 되었음을 확인하였다.

자기 공명 방식을 이용한 10W 급 무선 전력 전송 시스템 개발에 관한 연구

박정훈

*

_{, 김건태}

*

_,

_박관수

*

부산대학교

*

A Study on the Development of 10W Wireless Power Transmission System Using Magnetic

Resonance

Jeong-Hoon Park

*

_{, Keon-Tae Kim}

*

_{, Gwan-Soo Park}

*

Pusan National University

*

C (nF) Irms (A) 5.0 0.65 5.2 0.7 5.4 0.76 5.6 0.9 5.8 0.7 6.0 0.49 2015년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2015. 7. 15 - 17

17

<표 1> 주파수에 따른 전송 효율 비교 <그림 2.3> 공진 주파수 값 측정 2.3 송수신기간 거리에 따른 효율 변화 <그림 2.4> 수신기의 거리에 따른 효율 측정 실험 1차측과 2차측 각각을 40turn으로 동일하게 설계하고 2차측 코일의 위치를 최대 20cm까지 2cm마다 이동시키면서 유도 전류를 관찰하였다. 약 70%의 효율을 보이다가 점차적으로 감소해 20cm에서 약 50%의 효 율을 보이는 것을 확인하였다. <표 3> 거리에 따른 1차측과 2차측의 전류 변화 거리(cm) 1차측 전류(mA) 2차측 전류 (mA) 0 800 580 2 720 560 4 700 520 6 660 460 8 660 450 10 640 420 12 640 380 14 640 350 16 620 320 18 610 310 20 610 310 <그림 2.5> 수신기의 거리에 따른 효율 3. 결 론 본 논문에서는 자기공명 방식을 이용한 10W급 무선전력 전송 시스템 을 설계, 제작하였다. 송신기에 감은 코일의 turn수를 달리하여 최대 전 송 효율을 측정한 결과 40turn에서 최대 효율을 보였고, 이 때의 인덕턴 스 값은 약 0.42mH로 측정되었다. 공진 주파수의 계산식에 따라 그에 맞는 공진 커패시터 값을 계산하고, 실험을 통해 검증하였다. 본 논문에 서 제시된 시스템은 가로 세로 20cm 동일한 크기로 제작된 송수신기를 사용하였고, 수신기에는 가변 커패시터를 이용해서 수동으로 공진 커패 시터 값을 설정하도록 설계하였다. 본 시스템은 100kHz 대역에서 동작 하도록 하여 기존 수 MHz 대역의 시스템과 비교해 거리와 효율성을 증 가시켰고, 20cm 떨어진 상태에서 약 8W 정도의 용량이 무선전력 전송 되는 것을 확인하였고, 50%의 효율을 보였다. [감사의 글] 이 논문은 한국전력공사의 재원으로 기초전력연구원의 2014년 선정 기 초연구개발과제의 지원을 받아 수행된 것임. (과제번호 : R14XA02-20) [참 고 문 헌] [1] 조인귀,김성민,문정익,전순익,최재익, “자기 공명 방식 5W급 무선전 력 전송 시스템 설계 및 제작”, 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 11-12, 2013.

[2] S.W. Choi and M.H. Lee, “Coil-Capacitor Circuit Design of a Transcutaneous Energy Transmission System to Deliver Stable Electric Power,” ETRI Journal, vol. 30, no. 6, December 2008. [3] Andre Kurs, Arsteidis Karalis, Robert Moffatt, John joannpoulos,

Peter Fisher, Marin Soljacic, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science Magazine, vol. 317, no.5834, pp. 83-86, 2007. [4] 박성하,김기석,고보경,장길수, “자기공명 무선전력전송 기술 동향 및 이슈 분석”, 대한전기학회 하계학술대회 논문집,18-20, 2012. 주파수 Vrms (V) Irms (A) 90kHz 12.3 0.25 95kHz 12.8 0.49 100kHz 9.19 0.9 105kHz 10.2 0.38 110kHz 10.7 0.19